什么是CAS

CAS 的全称为 Compare-And-Swap,直译就是对比交换。是一条 CPU 的原子指令,其作用是让 CPU 先进行比较两个值是否相等,然后原子地更新某个位置的值,经过调查发现,其实现方式是基于硬件平台的汇编指令,就是说 CAS 是靠硬件实现的,JVM 只是封装了汇编调用,那些 AtomicInteger 类便是使用了这些封装后的接口。 简单解释:CAS 操作需要输入两个数值,一个旧值(期望操作前的值)和一个新值,在操作期间先比较下在旧值有没有发生变化,如果没有发生变化,才交换成新值,发生了变化则不交换。

CAS 操作是原子性的,所以多线程并发使用 CAS 更新数据时,可以不使用锁。JDK 中大量使用了CAS 来更新数据而防止加锁(synchronized 重量级锁)来保持原子更新。

相信 sql 大家都熟悉,类似 sql 中的条件更新一样:update set id=3 from table where id=2。因为单条 sql 执行具有原子性,如果有多个线程同时执行此 sql 语句,只有一条能更新成功。

CAS使用示例

如果不使用 CAS,在高并发下,多线程同时修改一个变量的值我们需要 synchronized 加锁(可能有人说可以用 Lock 加锁,Lock 底层的 AQS 也是基于 CAS 进行获取锁的)。

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public class Test {
private int i=0;
public synchronized int add(){
return i++;
}
}

java 中为我们提供了 AtomicInteger 原子类(底层基于 CAS 进行更新数据的),不需要加锁就在多线程并发场景下实现数据的一致性。

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public class Test {
private AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
public int add(){
return i.addAndGet(1);
}
}

CAS 问题

CAS 方式为乐观锁,synchronized 为悲观锁。因此使用 CAS 解决并发问题通常情况下性能更优。

但使用 CAS 方式也会有几个问题:

ABA 问题

因为 CAS 需要在操作值的时候,检查值有没有发生变化,比如没有发生变化则更新,但是如果一个值原来是 A,变成了 B,又变成了 A,那么使用 CAS 进行检查时则会发现它的值没有发生变化,但是实际上却变化了。

ABA 问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号,每次变量更新的时候把版本号加 1,那么 A->B->A 就会变成 1A->2B->3A。

从 Java 1.5 开始,JDK 的 Atomic 包里提供了一个类 AtomicStampedReference 来解决 ABA 问题。这个类的 compareAndSet 方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用,并且检查当前标志是否等于预期标志,如果全部相等,则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

循环时间长开销大

自旋 CAS 如果长时间不成功,会给 CPU 带来非常大的执行开销。如果 JVM 能支持处理器提供的 pause 指令,那么效率会有一定的提升。pause 指令有两个作用:第一,它可以延迟流水线执行命令(de-pipeline),使 CPU 不会消耗过多的执行资源,延迟的时间取决于具体实现的版本,在一些处理器上延迟时间是零;第二,它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突(Memory Order Violation)而引起 CPU 流水线被清空(CPU Pipeline Flush),从而提高 CPU 的执行效率。

只能保证一个共享变量的原子操作

当对一个共享变量执行操作时,我们可以使用循环 CAS 的方式来保证原子操作,但是对多个共享变量操作时,循环 CAS 就无法保证操作的原子性,这个时候就可以用锁。

还有一个取巧的办法,就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如,有两个共享变量 i = 2,j = a,合并一下 ij = 2a,然后用 CAS 来操作 ij。

从Java 1.5开始,JDK 提供了 AtomicReference 类来保证引用对象之间的原子性,就可以把多个变量放在一个对象里来进行 CAS 操作。

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